超拉伸过程中UHMWPE纤维的结晶结构变化

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1、超拉伸过程中UHImPE纤维的结晶结构变化于俊荣胡祖明刘兆峰(东华大学纤维材料改性国家重点实验室)【摘要】以矿物油为溶剂，二甲苯为萃取剞，采用冻胶纺丝一超拉伸技术纺制了超高相对分子质量聚乙烯(删删PB)纤维．利用小角x光散射(sAxs)、广角x射线衍射(WAXD)厦拉曼光谱等测试手段。研究了拉伸过程中IJIli删PE纤维的结晶结构变化．结果表明：随拉伸的进行，纤维5AXS强度逐渐战弱，纤维结构逐渐变得紧密规整：纤维结晶长周期覆结晶度随拉伸倍数的增加而增大，并逐渐趋于平衡，高倍扭伸后纤维结晶长周期为50nm左右．结晶度约为6

2、7．5％；纤维横向晶粒平均尺寸随拉伸倍数的增加而变小．至高倍拉伸后遥渐趋干平衡，而纤维轴向晶粒尺寸随扛伸倍数的增加而变大．【关键词】超高相对分子质量聚乙烯纤维冻胶纺丝超拉伸结晶结构超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维是由冻胶纺丝一超拉伸法【1'2J制备而成的。一般由常规纺丝法所得初生纤维的拉伸倍数都在10倍左右，唯有冻胶纤维要经过几十甚至上百倍的拉伸才能成为超高强高模纤维。因此人们常把冻胶纤维的拉伸称为超倍拉伸，简称为超拉伸。UHMWPE冻胶纤维在超拉伸过程中的结构变化，是超拉伸机理研究的主要方面。超拉伸的目的就是要

3、最大限度的将冻胶纤维中半结晶的微纤大网络转变为高度取向、高度结晶并具有伸直链结构的高强高模纤维。本文利用小角x光散射、广角x射线衍射及拉曼光谱等测试手段，从超分子结构及大分子运动规律等角度，对拉伸过程中UHMWPE纤维的结晶结构变化进行了深入研究。一、实验部分(一)纤维制备UHMWPE聚合体重均相对分子质量为600万，北京助剂二厂产：选用杭州炼油厂产初馏程为390"0左右的矿物油为溶剂：聚合体浓度为8％。经双螺杆纺丝制得初生冻胶纤维，放入盛丝桶内放置一段时间进行相分离。将充分相分离后的UHMWPE冻胶纤维进行预拉伸、萃取干

4、燥(萃取荆为二甲苯)，然后经过三级、两段拉伸，得到各拉伸倍数的纤维样品，其制备工艺见表1。为便于横向比较，将UHMWPE冻胶纤维在张紧状态下进行萃取干燥，得到0倍未拉伸纤维。·334·Tab．1Preparationtechnologyofdifferentstep／stagedrawlngUHWPEfibersFeedingspeedDrawingoutspeedDrawingtemp．TotalItems钿／min)(m／min)(℃)drawratioPre—drawingO．622．1253．39Extractin

5、ganddrying2．12．7254．35Firststepdrawing2+714．611023．丢SSecondstepdrawing14．619．611531．61Thirdstepdrawing19。620。512033．06Secondstagedrawing0．62O．8l13042．98(盘)小角x光散射(SAXS)法测纤维的缺陷度和结晶长周期采用日本理学Rigaku--D／max--rB鍪X射线衍射便。工俸电压为40KV，王俸毫漉为80mA，在2o为O．060～1．50进行捆描．扫描速度为O．30／rai

6、n。。(羞)产度x射线糖餐《WAXD)法溅斌圩攀妁蟪菇度及韪粒足寸“采用日本理学Rigaku--D／max--rB型x射线衍射仪，cu靶，镍片滤波，袋用粉末法在2毋为lOo～3扩进行扫描，经计算机分峰处理后用称重法求得各样品的结晶度苫，，并由Schemer公式计髯求褥各晶谣[hkl]法线方向晶粒的平筠尺"-tLt＆a}。箕计算式为：只(％)=—k(1)、转^々谤cT一，!．89蔓，。．．(2)岬“1段Ⅲl·cosO【h州．式中：妒。-tb黠区重量；≯珞一晶送重量；x～搿瑁X射线羽波长，本嶷验中毒=1,542A；B州】--h

7、kl衍射峰的半高宽(弧度){0【ld；a]--hkl衍射的布拉格角。．《蹲)驻曼光谱《aaron)测试采用法国FT--IR型拉曼光谱仪进行测定。光源采用激光(Laser)，功率为O．16W,样品置予一金属概内并使其张紧伸敷。：、结暴蔫讨论(一)超拉伸过程中纤维缺陷度和纤维结晶长周期的变化Fig．1SAXSmeasurementgraphsofdifferentdrawratiotIHE／PEfibers·335·21氆纪高技术、高性陡、离磷弼德觏型纯野靛曩论坛用x射线研究晶体结构时，晶格间距L、扫描角度p和入射X射线波长^

8、之间的哭系遴扶毒拉格公式14l：2_￡lM『】sinOtMl=z(3)由于UHMWPE纤维是极易结晶、取向的纤维，沿纤维轴向晶格间距即纤维结晶长周赣较大。剐穰据布拉格公式，疆测定纾维豁结鑫长周期，黉求将测定舞度大大推囱低禹部分，甚至要摊到1～2度以内才行，由此推出了小角X射线散射(SAXS)的测试方法【